Термодинамика

1. Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1. Цель преподавания дисциплины

Для глубокого и полного изучения специальных дисциплин студентами специализирующимися в области технической физики и физико-энергетических установок, необходимы знания ряда дисциплин теплофизического профиля в том числе феноменологической термодинамики.

Цель преподавания дисциплины "Термодинамика" - ознакомить студентов с законами термодинамики, ее методами, общими вопросами теории фазовых превращений, циклами теплосиловых установок и подготовить студентов к изучению дисциплин специальности и расчету курсовых проектов.

1.2. Задачи изучения дисциплины

В задачи изучения дисциплины входят: овладение студентами и использование в практической деятельности основных законов термодинамики; овладение и применение одного из основных методов термодинамики - метода термодинамических потенциалов; получение студентами основных сведений о циклах теплосиловых установок и методов анализа их эффективности; привитие навыков термодинамических расчетов Физических процессов.

1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых необходимо для изучения данной дисциплины

Для изучения данной дисциплины студент должен владеть знаниями по курсам общей физики, высшей математики, вычислительной техники.

2. Содержание дисциплины

2.1. Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных занятий

2.1.1. Введение (2 ч.)

Предмет термодинамики. Основные понятия и определения термодинамики (терминология): термодинамическая система (изолированная, открытая, закрытая адиабатная), разновесное состояние, термодинамический контакт, термодинамические параметры (экстенсивные, интенсивные, внешние, внутренние), внутренняя энергия термодинамической системы, уравнения состояния (термическое, калорическое). Функции состояния и их свойства. Постулаты термодинамики.

2.1.2. Первый закон термодинамики (6 ч.)

Термодинамические процессы, квазкстатические и нестатические процессы, циклы. Работа и теплота процесса, энергия переноса массы. Формулировки первого начала термодинамики, интегральная и дифференциальная формы записи первого начала, обобщенные силы и обобщенные координаты. Понятие теплоемкости, связь между изобарной и изохорной теплоёмкостями, формула Майера, скрытая теплота. Основные термодинамические процессы: изотермический, адиабатный, политропный, изохорный, изобарный. Уравнения политропного и адиабатного процессов. Частные случаи политропного процесса. Диаграммное изображение термодинамических процессов. Термические коэффициенты: термический коэффициент объемного расширения, термический коэффициент давления, коэффициент изотермической сжимаемости. Связь между термическими коэффициентами. Коэффициент адиабатной сжимаемости, связь между адиабатными и изотермическими коэффициентами сжимаемости.

2.1.3. Второй закон термодинамики (8 ч.)

Обратимые и необратимые процессы, циклы. Цикл Карно. Формулировки второго начала термодинамики Клаузиуса и Томсона, их эквивалентность. Принцип адиабатной недостижимости Каратеодори.

Понятие температуры, эмпирические температурные шкалы, шкала Цельсия, Фаренгейта, Реомюра. Температурная окала идеального газа. Обоснование существования энтропии: голономность и свойства форм Пфаффа, определение энтропии термодинамической системы. Существование абсолютной термодинамической температуры и ее связь с эмпирической температурой. Связь абсолютной термодинамической шкалы температур со шкалой идеального газа. Первая и вторая теоремы Карно. Неравенство Клаузиуса. Изменение энтропии в произвольных процессах. Свойства энтропии. Основное уравнение термодинамики. Примеры возрастания энтропии при необратимых процессах в адиабатных системах: теплообмен при конечной разности температуры, механические процессы с трением. Энтропия идеального газа.

2.1.4. Метода термодинамики (6 ч)

Связь между термическим и калорическим уравнениями состояния. Метод циклов, зависимость поверхностного натяжения от температуры. Характеристические функции и термодинамические потенциалы, внутренняя энергия как термодинамический потенциал. Преобразование Лежандра. Энтальпия. Энергия Гельмгольца изохорно-изотермический потенциал. Энергия Гиббса, изобарно-изотермический потенциал. Зависимость энергии Гиббса от числа частиц в системе. Большой термодинамический потенциал. Уравнение Гиббса-Дюгема. Уравнения Гиббса-Гельмгольца. Применение метода термодинамических потенциалов: магнитострикция, электрострикция, пьезоэффект, эффект Джоуля-Томсона, обратимое и необратимое и необратимое дросселирование газа. Термодинамика излучения: тепловое излучение, излучательная и поглощательная способность тел, закон Кирхгофа, световое давление, закон Стефана-Больцмана, термодинамические Функции излучения

2.1.5. Третий закон термодинамики. Тепловая теорема Нернста (2 ч)

Задача о химическом сродстве, содержанке теоремы Нернста, постулат Планка. Следствия теоремы Нернста: поведение термических коэффициентов при стремлении абсолютной температуры к нулю, поведение изобарной и изохорной теплоемкостей при стремлении абсолютной температуры к нулю, вычисление энтропии, вырождение идеального газа. Недостижимость абсолютного нуля температуры. Сверхнизкие температуры, их получение и принцип недостижимости абсолютного нуля. Отрицательные абсолютные температуры. Термодинамические свойства систем с отрицательной абсолютной температурой.

2.1.6. Условия термодинамического равновесия и их применение (8ч)

Классификация термодинамических систем, условия равновесия механических систем. Общие условия термодинамического равновесия: изолированная система, система в термостате с постоянным объемом, принцип максимальной работы, система в термостате с постоянным внешним давлением, система с постоянной энтропией и давлением и энтропией и объемом, система с переменным числом частиц при постоянстве температуры, объема и химических потенциалов. Понятие о метастабильном состоянии. Условия устойчивости равновесия, выраженные через термодинамические неравенства, детерминант устойчивости. Равновесие в гомогенной системе: условие химического равновесия, закон действующих масс. Равновесие в гетерогенной системе: правило фаз Гиббса, равновесие однокомпонентных систем. Основное уравнение теории равновесия бинарных систем. Правила Коновалова. Идеальные жидкие растворы: понятие идеального раствора и его свойства, закон Рауля, разбавленные растворы, закон Генри. Осмотическое давление.

2.1.7. Фазовые превращения (10 ч)

Общие вопросы теории фазовых превращений. Общие закономерности фазовых переходов 1-го рода. Изменение химического потенциала при фазовых переходах 1-го рода. Уравнение Клапейрона-Кдаузиуса. Линия плавления, теплота и энтропия плавления. Линия испарения, теплота и энтропия испарения. Тройная точка. Термодинамика процесса образования новой фазы: диаграмма состояния системы жидкость-пар в координатах давление-объем, понятие бинодали и спинодали, условия термодинамического равновесия капли жидкости со своим насыщенным паром, условия возникновения капли жидкости в паре. Фазовые превращения 2-го рода: общие закономерности фазовых переходов 2-го рода, уравнение Эренфеста, сверхпроводимость, формула Рутгерса. Равновесие в критической точке, закон соответственных состояний.

2.1.8. Циклы теплосиловых установок (6 ч)

Термический коэффициент полезного действия цикла, холодильный коэффициент, коэффициент преобразования тепла. Методы анализа эффективности циклов. Теплосиловые паровые циклы: цикл Карно, цикл Ренкина. Зависимость термического коэффициента полезного действия цикла Ренкина от значения параметров водяного пара. Цикл Ренкина с промежуточным перегревом пара. Анализ цикла Ренкина с учетом необратимых потерь, понятие работоспособности системы. Теплофикационные циклы. Циклы газотурбинных установок.

2.2. Практические занятия, их содержание и объем в часах

2.2.1. Терминология предмета "Термодинамика". Термодинамические процессы, первое начало термодинамики (2ч).

2.2.2. Понятие теплоемкости, термические коэффициенты. Второе начало термодинамики. Понятие энтропии (2ч).

2.2.3. Методы термодинамики. Связь между термическими и калорическими уравнениями состояния, метод термодинамических потенциалов (4 ч).

2.2.4. Условия термодинамического равновесия. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Равновесие в критической точке (6 ч).

2.2.5. Циклы теплосиловых установок, холодильная машина, тепловой насос (2ч).

Пособие с условиями задач выдается каждому студенту.

2.3. Использование ЭВМ при изучении дисциплины "Термодинамика"

В рамках самостоятельной работы предусматривается индивидуальная работа с ПЭВМ по четырем программам, включающим все разделы рабочей программы дисциплины.

2.3.1. Программа "ТЕРМОДИНАМИКА-1'' - Введение. Основные по-нятия и исходные положения термодинамики.

2.3.2. Программа "ТЕРМОДИНАМИКА-2" - Законы термодинамики и тепловая теорема Нернста.

2.3.3. Программа "ТЕРМОДИНАМИКА-З" - Методы термодинамики и их применение.

2.3.4. Программа "ТЕМОДИНАМИКА-4" - Условия термодинамического равновесия и их применение. Фазовые превращения. Циклы теплосиловых установок.

Программы ''ТЕРМОДИНАМИКА-№" могут использоваться для автоматизированного контроля знаний ("АКЗ ТЕРМОДИНАМИКА") с целью поэтапного контроля с проведением зачета (экзамена) или для обучения с контролем знаний ("КОС TЕРМОДИНАМИKA").

3. Учебно-методические материалы по дисциплине

3.1. Библиографический список

Основной

1. Базаров И.Я. Термодинамика, 4-е изд. перераб. в доп. М.: Высшая школа, 1991. 376 с.

2. Кубо Р. Термодинамика. М.: Мир, 1970. 304 с.

3. Термодинамика: Основные понятия. Терминология. Буквенные обозначения величин / 0тв. ред. И.И.Новиков. М.: Наука, 1984. 39 с.

4. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейнлин А.Е. Техническая термодинамика. 4-е изд. М.: Энергоатомиздат, I983. 416 с.

5. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978. 256 с.

Дополнительный

1. Радушкевич Л.В. Курс термодинамики. М.: Просвещение, 1971. 288 с.

2. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнерге-тических установок 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высшая школа,1985. 319 с.

3. Филиппов Л.П. Прогнозирование теплофизических свойств жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1988. 168 с.

3.2. Перечень наглядных и других пособий, методических указаний по проведению конкретных видов учебных занятий

3.2.1. Лекции

3.2.1.1. Термодинамика: Конспект лекций (Машинопись / УПИ им. С.М.Кирова). 134 с.

3.2.1.2. Термодинамика: Конспект лекций. Введение. Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики (Машинопись./ УПИ им. С.М.Кирова. 87 с.

3.2.1.3. Кинофильм "Работа и энергия" (I ч 10 мин).

3.2.1.4. Кинофильм "Опыт Джоуля и Томсона" (1 ч 10 мин).

3.2.1.5. Кинофильм "Циклы паротурбинных установок" (2 ч 18 мин).

3.2.2. Практические занятия

3.2.2.1. Николаев Г.П., Лойко А.Э. Методические указания к организации преподавателями практических занятий и составлению заданий студентам для самостоятельной работы по курсу "Термодинамика". (Машинопись / УПИ им. С.М. Кирова). 64 с.

3.2.2.2. Николаев Г.П., Лойко А.Э. Учебно-методическая карта проведения практических занятий по курсу "Термодинамика". (Машинопись / УПИ им. С.М. Кирова. 2с.

3.2.2.3. Николаев Г.П., Лойко А.Э. Задание к практическим занятиям по курсу "Термодинамика" для студентов 3-го курса физико-технического Факультета очного обучения. Свердловск: изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1991. 7 с.

3.2.3. Автоматизированное обучение и контроль знаний

3.2.3.1. Николаев Г.П., JIoйкo А.Э.. Сергиенко В.В. и др. Термодинамика: Методические материалы к контролирующе-обучающей системе автоматизированного учебного курса (Машинопись / УГТУ-УПИ). 94 с.

3.2.3.2. Термодинамика: Методические указания к проведению автоматизированного контроля знаний с использованием процессора интерпретирующего" "ИСКРА 1256" / Г.П. Николаев, А.В. Будеев, Н.Н. Скворцов, А.Э.Дойко. Свердловск: изд. УПИ им. С.М.Кирова. 1987. 30 с.

3.2.3.3. Система автоматизированного контроля знаний по дисциплине "Термодинамика" (АКЗ ТЕРМОДИНАМИКА). Программное средство /Г.П.Николаев, А.В.Будеев, П.Н.Скворцов, А.Э.Лойко //Каталог отраслевого фонда алгоритмов и программ. М.: Изд-во НИИ ВШ. 1987. 1988. С.28-29.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по курсу ''Термодинамика"

Составители: Лойко Арнольд Эрлихович

Николаев Герман Петрович

Ответственный за выпуск доц., канд. физ.-мат наук Лойко А.Э.